接收机的作用

1、 接收机的作用尽管GPS接收机有许多不同类型，但其主要结构却大体相同，可分为天线单元和接收单元两大部分。天线单元的主要功能是将非常微弱的GPS卫星电磁波信号转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量。图1描述了GPS信号接收机的组成。图1GPS接收机的组成一、天线单元天线是由接收机天线和前置放大器两部分组成。天线的作用是将极微弱的GPS卫星信号电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对于天线部分有以下要求：1.天线与前置放大器应密封为一体，以保障其

2、正常工作，减少信号损失。2.能够接收来自天线上空半球的卫星信号，不产生死角，以保障能接收到天空任何方向的卫星信号。3.应有防护与屏蔽多路径效应的措施。4.保持天线相位中心高度稳定，并与其几何中心尽量一致。目前，GPS信号接收机采用的天线类型有：单极或偶极天线、四线螺旋形结构天线、微波传输带型天线、圆锥螺旋天线等。这些天线的性能各有特点，需结合接收机的性能选用。微波传输带状天线简称微带天线（micro strip antenna）,因其体积小、重量轻、性能优良而成为GPS信号接收机天线的主要类型。通常微带天线是由一块厚度远小于工作波长的介质基片和两面各覆盖一块用微波集成技术制作的辐射金属片（钢或

3、金片）构成（图2）。其中覆盖基片底部的辐射金属片，称为接地板；而处于基片另一面的辐射金属片，其大小近似等于工作波长，称为辐射元。微带天线结构简单且坚固，可用于单频、双频收发天线，更适宜与振荡器、放大器、调制器、混频器、移相器等固体元件敷设在同一介质基片上，使整机的体积和重量显著减少。这种天线主要缺点是增益较低，但可用低噪声前置放大器弥补。目前，大部分测量型GPS信号接收机用的都是微带天线，这种天线最适于安装在飞机、火箭等高速运动的物体上。图2 微带天线示意图二、接收单元GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等4个部分组成。1.信号通道信号通道是接收单元

4、的核心部分，由硬件和软件组合而成。每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当某一颗卫星被锁定后，该卫星占据这一通道直到信号失锁为止。因此，目前大部分接收机均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星信号。对于不同类型的接收机，信号通道的数目也由1到12不等。现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机，其信号通道多达24个。信号通道有平方型、码相位型和相关型三种不同类型，它们分别采用不同的解调技术，以下我们作简单介绍。f(t)=c(t)cos(wt+0 ) (1)平方后得f 2(t)=c2(t)cos2(wt+0 )式中 c(t)为调制码振幅，其值为+1或-1，平方后有c2

5、(t)=1。于是有f 2(t)=1+cos(2wt+20 )/2 (2)这说明接收到的卫星信号经平方后，调制码信号（C/A码、P码和数据码）完全被消除，而得到频率为原载波频率2倍的纯载波信号（称为重建载波），利用该信号便可进行精密的载波相位测量。平方型通道的优点是无需掌握测距码（C/A码、P码）的结构便能获得载波信号。但是平方型通道消除了信号的测距码和数据码，从而无法解译出GPS卫星信号中的导航电文。码相位型通道所得到的信号不是重建载波，而是一种所谓的码率正弦波（图3）。它是由从A点输入的接收码（C/A码或P码）乘以延迟1/2码元宽度的时延码而得到。码相位测量是依靠时间计数器实现的，时间计数器

6、由接收机时钟的秒脉冲启动，并开始计数，当码率正弦波的正向过零点时关闭计数器。开关计数器的时间之差，相应于码率正弦波中不足一整周的小数部分，而码相位的整周数仍为未知，还需利用其他方法解算。C/A码的码元宽度（码相位）为293.052m，相当于977.517ns；P码的码元宽度为29.305m，相当于97.752ns。码相位通道测定站星距离中不足一个码元宽度的小数部分，而站星距离是C/A码或P码元宽度的多少倍，通常可用多普勒测量予以解决。码相位通道的优点是：用户无需知道伪噪声码的结构即可进行C/A码和P码的相位测量，这对非特许GPS用户有很大的好处。码相位通道的缺点和平方型通道一样，需要另外提供G

7、PS卫星星历，用以测后数据处理。图3 码通道相位示意图目前，相关型通道广泛应用于各种GPS信号接收机中。它可从伪噪声码信号中提取导航电文，实现运动载体的实时定位。伪噪声码跟踪环路用于从C/A码和P码中提取伪距观测量，并通过对卫星信号的解调，获取仅含导航电文和载波的解扩信号。载波跟踪环路的主要作用是根据已除去测距码和解扩信号实现载波相位测量，并获取导航电文（数据码）。此外，它还具有良好的信噪比，因此为GPS接收机所普遍采用。当然相关型通道的缺点是要求用户掌握伪随机噪声码的结构，以便接收机产生复制码信号。但是由于美国政府实施SA技术，非特许用户不能解译P码，也就无法用码相关技术获得L2载波的观测值

8、。为了获得L2载波的相位观测量，尚需补充其他技术。2.存储单元GPS信号接收机内设有存贮器以存贮所解译的GPS卫星星历、伪距观测量、载波相位观测量及各种信息数据。在1988年以前，接收机基本采用盒式磁带记录器，例如WM101GPS信号接收机，就是采用带有时间标识符的每英寸800BYTE的记录磁带。目前大多数接收机采用内置式半导体存储器，如Ashtech Z-12 97款GPS信号接收机，就配备了285Mbit内存卡供选用。保存在接收机内存中的数据可以通过数据传输接口输入到微机内，以便保存和处理观测数据。存贮器内通常还装有多种工作软件，如自测试软件、天空卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点

9、定位软件等。3.计算和显示控制单元计算和显示控制单元由微处理器和显示器构成。微处理器是GPS信号接收机的控制系统，GPS接收机的一切工作都在微处理器的指令控制下自动完成。其主要任务是：（1）在接收机开机后立即对各个通道进行自检，并显示自检结果，测定、校正并储存各个通道的时延值。（2）根据各通道跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS卫星星历，并根据实测GPS信号到达接收机天线的传播时间，计算出测站的三维地心坐标（WGS-84坐标系），按预置的位置更新率不断更新测站坐标。（3）根据测得的测站点近似坐标和GPS卫星星历，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角。（4）记录用户输入的测站信息，如：测站名、天线高、气象参数等。（5）根据预先设置的航路点坐标和测得的测站点近似坐标计算导航参数，如：航偏距、航偏角、航行速度等。GPS信号接收机一般都配备液晶显示屏向用户提供接收机工作状态信息，